Per questo lavoro sono stati usati diamanti sintetici commerciali della
Element Six, di due dimensioni: 3×3×0.5 mm3 e 4×4×0.5 mm3 e di due diverse
qualità: Standard ({100} [N]<1ppm [B]<0.05ppm), e Elettronica ({100} [N]<5ppb [B]<1ppb, Ra< 5nm).
Seguendo un'accurata procedura di pulizia chimica del campione, assistita da ultrasuoni, sono stati rimossi in miscela solfocromica calda possibili percorsi a bassa impedenza e lasciata la superficie terminata con ossigeno. Eventuali residui dell’attacco ossidante sono stati rimossi con Acqua Regia e risciacquo in acqua, alcol isopropilico e acetone. Sono stati poi depositati mediante evaporazione termica, due diverse tipologie di metalli, Ag e TiAu, utilizzando una maschera metallica di forma circolare, mentre altri due sono stati metallizzati presso la Diamond Detectors Ltd (DDL) di Poole (UK) [vedi Figura 12].
Una volta metallizzato, il substrato di diamante è alloggiato all’interno di un opportuno sostegno, mostrato nelle sue parti in Figura 13. Esso consiste di un anello circolare in Rexolite®, sul quale la lamina di diamante è fissata con una colla bi-componente.
Figura 12 - Substrato di diamante monocristallino metallizzato con Ag sulle due facce.
La struttura è poi connessa con un sottile filo metallico (99%Al–1%Si) a un cavo triassiale Keithley a basso rumore [vedi Figura 14[a]]. Un’altra parte in Rexolite® ricoprirà il tutto e sarà ulteriormente riempita con colla bi- componente Epotek301®, per eliminare l'aria. La colla, solidificandosi, renderà rigida tutta la struttura mantenendo congelate le posizioni impostate. Un ultimo componente, realizzato con materiale A140, conduttivo e nero, completa l’assemblaggio del dosimetro che viene innestato in un tubetto di alluminio per rendere tutta la struttura ancora più rigida, come mostra la Figura 14[c]. I collegamenti elettrici del dispositivo possono essere riassunti nel seguente modo: il segnale di polarizzazione è applicato sulla calza esterna del cavo triassiale, mentre il segnale di corrente è monitorato sul conduttore più interno. I dispositivi di cui qui sono riportati e discussi i risultati sono tra loro diversi per tipologia del diamante e dei contatti metallici: D03, D04, G01 e G02. Questi quattro rivelatori possiedono caratteristiche che li accomunano e ne consentono un confronto diretto per tutti i parametri dosimetrici d'interesse. I dosimetri D03 e D04 sono diamanti di qualità Standard su cui sono stati depositati contatti di Pt-Au, spessore 200nm, con interposizione di uno strato DLC secondo la ricetta della DDL; mentre G01 e G02 sono diamanti di qualità Elettronica ma, rispettivamente, con contatti in TiAu e Ag, di spessore 200 nm.
Figura 13 - Componenti meccanici per l’alloggiamento e l’incapsulamento del dosimetro.
Figura 14 - [a] [b] Alloggiamento del diamante sull’anello circolare di Teflon e sua connessione ai reofori elettrici; [c] Dosimetro assemblato in tutte le sue parti e pronto per i test.
Sorgente Co-60
I dosimetri sono stati studiati e caratterizzati irraggiandoli con un fascio continuo di fotoni generati dal decadimento del Co-60, prodotti da un’unità Teletherapy, Eldorado 6 (Atomic Energy of Canada Ltd, AECL), utilizzato per scopi metrologici dall'INMRI (Istituto Nazionale di Metrologia delle Radiazioni Ionizzanti) presso il centro ricerca ENEA Casaccia. Due vedute dell’ambiente di lavoro e della finestra della sorgente si possono vedere in Figura 15. L'attività della sorgente è di 94 TBq (01/01/2010). Il sistema è utilizzato per le tarature di sistemi dosimetrici utilizzati in radioterapia con riferibilità ai campioni primari sviluppati dall’INMRI e rilascio di certificati di taratura riconosciuti a livello internazionale nell’ambito dell’Accordo di Mutuo Riconoscimento (MRA).
Figura 15 - Ambiente di lavoro e sorgente Co-60 di INMRI, presso il centro ENEA Casaccia.
Le analisi sono state svolte in due condizioni principali d'irraggiamento: in aria e in una vasca riempita con acqua distillata (in dosimetria, fantoccio ad acqua).
Nel primo caso la macchina produce un rateo di dose di circa 0.4 Gy min-1 a 1
m di distanza dalla sorgente (SDD), dove il campo che investe il dosimetro è di
dimensioni pari a 10x10 cm2. Il rivelatore in queste condizioni viene irraggiato
con un cappuccio in Polystyrene, visibile sullo sfondo della Figura 13[c], che
garantisce l’equilibrio elettronico della radiazione.Il secondo caso corrisponde
alla condizione di riferimento usata per la taratura dei dosimetri per radioterapia. Il fantoccio ad acqua è costituito da una vasca in plexiglass di dimensioni (30x30x30 cm3) riempita con una precisa quantità di acqua distillata. Il fantoccio ad acqua è posizionato, mediante l’utilizzo di catetometri e distanziatori meccanici, in modo tale che il punto a 5 cm di profondità in acqua sia a 100 cm di distanza dalla sorgente (condizione di riferimento per le misure dosimetriche). Il fantoccio è equipaggiato con un termometro ad alta precisione per la misurazione della temperatura in acqua durante gli irraggiamenti. Il dosimetro a diamante è immerso in acqua e posizionato in modo tale che l’elemento sensibile (cioè il cristallo di diamante) sia posto con il suo centro nel punto di riferimento, dove è noto che l’impianto eroga 0.4 Gy min-1. Per il corretto posizionamento si utilizzano strumenti di altissima precisione e accuratezza [vedi Figura 16].
Figura 16 - Strumento di alta precisione utilizzato per il posizionamento.
I parametri che sono stati studiati sono stati: il rateo di dose, l’entità della dose assorbita, la temperatura d'irraggiamento e l’angolo d'incidenza del fascio di radiazione sul dosimetro. Il primo parametro è stato variato utilizzando degli attenuatori e modificando la distanza sorgente-dosimetro, essendo il rateo
di dose erogato in prima approssimazione inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Il rateo di dose in ogni posizione di misura è stato misurato con una camera a ionizzazione di riferimento. Il dosimetro può essere movimentato su un carrello, variando la distanza dalla sorgente in un intervallo 58.48÷120 cm. Per aumentare la dinamica dell’intensità del fascio di almeno 4 ordini di grandezza è possibile usare due filtri in piombo di spessore 5 cm che si posizionano in allineamento perfetto con i collimatori che definiscono l’assetto del fascio.
La dipendenza della risposta del dosimetro dalla dose assorbita è stata studiata in acqua nelle condizioni di riferimento; cioè dosimetro sistemato accuratamente nel fantoccio e, secondo le sue dimensioni geometriche, centrato per avere esattamente una distanza SDD = 100 cm dalla sorgente. Il rateo di dose è costante, in questo caso non viene variata la distanza dosimetro-sorgente, quindi, per ottenere una dose assorbita variabile, è necessario variare il tempo d'irraggiamento. L’intervallo studiato è stato 0.25 ÷ 8.8 Gy.
La temperatura del dosimetro è un altro parametro interessante da studiare per capire se nelle condizioni di lavoro ospedaliere, in cui la temperatura può variare di alcuni gradi centigradi nel corso dell’anno, ci possano essere cambiamenti sostanziali nella risposta del dosimetro. L'esperimento è stato possibile utilizzando un bagno termostatico dotato di sistema di ricircolo dell'acqua distillata del fantoccio che consente, mediante un termometro interno di alta precisione, di regolare la temperatura dell’acqua confrontando della temperatura interna con quella misurata esternamente nel fantoccio; attendendo qualche minuto, è possibile accertare un ottimo equilibrio termico del sistema. I dati riportati in seguito sono stati ottenuti con più sessioni di misura senza modificare l'intero setup e quindi non modificando nessun parametro che non fosse riproducibile. Sono state effettuate misure di controllo all’inizio e al termine di ogni sessione di misura per verificare eventuali variazioni di risposta non dovute alla temperatura. Dal loro confronto, come si vedrà nella discussione dei dati, risulta una variazione quasi nulla sul valore di corrente misurato.
La dipendenza angolare del dosimetro è un altro parametro importante da studiare al Co-60 perché in ambito ospedaliero, come vedremo, il contributo della diffusione laterale del fascio di radiazione diventa importante nella determinazione della dose assorbita. E’ bene allora capire, in un fascio di riferimento, se i diversi dosimetri in analisi rivelano correttamente questo
contributo. Nelle misure è stato utilizzato il fantoccio ad acqua. Il dosimetro è fissato su un goniometro, con rotazione a step di 15°, che permette la rotazione intorno al punto di riferimento, cioè non è necessario spostare e riallineare il dosimetro a ogni rotazione.